3D打印實驗教學改革的模式探索

鹿芹芹 劉持棟 黃 斌 傅茂森 陳 強

（西北工業大學材料學院 陜西·西安 710072）

0 引言

2012年4 月出版的英國《經濟學人》雜志，專題論述了當今全球范圍內工業領域正在經歷的第三次革命，其中對3D打印技術做了重點介紹。文章描述了3D打印技術的前景——這種新型的生產方式將推動第三次工業革命。從此，3D打印技術開始進入大眾視野。以3D打印為代表的數字化制造將根本轉變制造方式和職業模式，分散式大規模定制化制造將快速發展。制造業正往數字化的方向發展。這次革命不僅改變商業，還會改變除商業外的許多行業。過去的工廠是基于生產大量同一產品這一理念而運作的。但是隨著技術的發展，生產小批量多樣化的產品成本正在降低，這些產品可以按照顧客的奇思妙想來定制。未來的工廠將更關注個性化定制，3D打印發揮著關鍵性的作用。

1 3D打印技術發展現狀

從各國戰略層面，德國政府提出工業4.0的戰略，想在網絡化定制化時代能與美國抗衡。美國提出再工業化戰略，美國計劃要把世界第一的世界制造業大國重新拿回去。再工業化戰略其中一個核心是提出“國家制造業創新網絡計劃”，以創新引領發展。美國政府在做國家戰略調整時，選擇未來最重要的制造技術，第一個選出來的是3D打印技術。目前，頗具影響力的“America Makes”的初衷是通過3D打印技術提升美國制造業的全球競爭力。“America Makes”是由美國國防部、能源部、美國宇航局、美國國家科學基金會、商務部等5家政府部門，以及俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業、學校和非營利性組織組成的聯合團體共同出資建立。“America Makes”正在為增材制造領域的教育內容建立存儲庫，并要求參與開發課程的教育工作者和行業專業人士提交相關可能的資源庫。內容包括K-12、職業技術教育、社區學院、大學在內的任何教育水平、在職培訓等等。作為全球第一科技強國，3D打印或稱增材制造就發源于美國。目前，美國增材制造技術無論是在軍事，航空航天，醫療，工業還是在民用方面都走在世界前列。美國擁有最前沿的增材制造技術。中國制造2025是中國的強國戰略，比肩與德國工業4.0，和美國再工業化戰略。在提出的五大建設工程里面，3D打印都發揮著重要的作用。

3D打印最重要的貢獻在于：它解放了設計師，使設計師可以自由設計，由此導致了創新設計的發展，這才是3D打印推動工業革命的真正的方式。所以3D打印推動工業革命不是用取代式的，而是一種創造新世界的方式。西方對這方面的認識是很清楚的，2014年7月份美國國家研究委員會空間3D打印報告中明確提到：不要把3D打印看作是取代傳統制造技術的一種技術，而應該看作是我們的整個產品結構和功能，由于有了增材制造技術之后，要整個發生革命性的變化，應該這樣來看待和應用3D打印。美國工業界都是這樣一個認識，首先有創新設計。所以3D打印技術發展方向一定要與創新技術密切結合，推動創新設計的發展。

2 3D打印的應用特點及課程目標

基于整個國家戰略層面的重視以及市場環境的需求，3D打印的實踐課程在全國各個高校得到了開展[1-5]。其主旨是將3D打印引入到教學實踐環節，結合創新設計，鍛煉學生們創新及動手能力。3D打印所涉及的領域很多，有利于在不同專業側重點不同的開設實踐課程。西北工業大學材料學院開設了開放式的3D打印實驗創新課程。這門課程在學生們具備一些設計知識儲備的基礎上，創新性的去設計不同功能和形狀的產品，服務于不同領域與行業。在實操過程中，通過不斷迭代作品，最終實現創新設計和動手能力實際的落地。經歷數次迭代過程，該課程將增強學生們分析問題解決問題的能力。通過該課程的開設，要求學生達到以下的目標：（1）了解3D打印技術在市場應用中不同領域應用的全貌，了解前沿的3D打印技術概況及技術特點。（2）掌握不同3D打印技術流程并靈活操作各類3D打印機，掌握正向建模實驗，模型修復等方法。（3）通過PBL（Project Based Learning）項目式3D打印實驗訓練學生們創新設計，作品迭代的能力，培養學生們的組織分工，協調合作和動手實踐能力。

3 教學內容及教學要求

3.1 3D打印軟件及硬件學習模塊

目前工業上常用的3D設計軟件有ProE、Solidworks、UG、CATIA等。其中Solidworks軟件從屬于法國達索公司，軟件功能強大，組件繁多，易學易用，技術創新。這使得SW成為領先的、主流的三維CAD解決方案，主要用于零件、裝配領域。UG軟件最早應用于美國麥道飛機公司和通用汽車公司，所以在汽車建模飛機建模方面，UG軟件比較強大。CATIA系列產品在八大領域里提供3D設計和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設計（主要是鋼構廠房）、建筑、電力與電子、消費品和通用機械制造。另外，偏向藝術造型的設計軟件如3D MAX、Maya、Rhino等也應用很廣泛。針對本校特點，主要應用的設計軟件為Solidworks，UG和CATIA。根據不同專業的學生背景，自由選擇。實驗室配有雙/單噴頭熔融沉積3D打印機、高溫熔融沉積3D打印機、上拉式光固化3D打印機、下沉式光固化陶瓷3D打印機等多種款式打印機。因此，硬件學習主要包括熔融沉積和光固化3D打印機打印軟件學習以及設備操作及維護方面等。

3.2 項目式學習及實操模塊

PBL項目式教學模塊類似于“創客空間”。首先，需要提出問題，并對問題進行調研、采訪、整理數據資源；然后，與團隊成員自主判斷、提問思考、頭腦風暴、持續探究討論可行方案；結合團隊成員在自我管理、自主規劃、反思討論中制作實現方案等過程，最后做出成品。據此，細化后分為以下幾個步驟。第一步：個人提出想法。每位學生提出自己在生活或學習中遇到的可以用3D打印解決的問題，或一個創新的想法，供大家交流討論。第二項：選題。根據提煉出的選題，進行溝通交流，自主選擇感興趣的題目，討論和篩選項目，并進行組隊，2-3人一組，每組選擇一個隊長。第三項：立項。分組選題完成后，每個小組進一步討論自己的項目，進行項目定型。確定初步構思并立項。第四項：設計制作。包括設計畫圖，使用打印機打印，必要的可以采購需要的元器件零部件。在制作及打印過程中，遇到的問題與教師一起討論解決，整個過程和環節由學生記錄下來，作為項目制作書的參考內容。第五項：作品迭代。根據經驗一般很難一次直接完成理想作品。針對遇到的問題，需要無數次迭代。第六項：項目期中分享。每組進行項目中期匯報和分享。包括項目設計內容和進度，制作過程中遇到的問題以及如何解決問題，并分享尚未解決的問題，集思廣益，并分享接下來的項目計劃。共性的問題大家集中討論。第七項：完成項目，項目期末匯報。每組上臺分享自己的項目成果，項目歷程，以及優缺點，最終交付項目實踐書，教師輔助總結。

4 教學成果

該課程的開設，極大點燃了學生們創作的熱情。不同專業的學生各自發揮所長，一起組隊，經過建模→3D打印→試錯→迭代等步驟，實現了早期作品的制作。圖1（a）為一款造浪機，1（b）為3D打印遙控小車，1（c）為陀飛輪，1（d）為半導體制冷小冰箱。學生在制作作品的過程中，經歷了眼高手低制作失敗，歷次迭代，打怪升級等一般過程。當最終作品呈現時，學生們均表示體驗到一種成就感。

圖1：3D打印作品。(a)3D打印造浪機；(b)3D打印遙控小車；(c)3D打印陀飛輪；(d)3D打印半導體制冷小冰箱

5 結束語

3D打印技術與創新設計的完美結合，已經在市場各個領域陸續開花結果。在教育領域的實驗教學方面的應用尚處在摸索階段。本實驗教學課程讓學生們體驗整個制作過程，引起了巨大反響。這主要是因為，學生們通過自己動手，體驗了創作的快樂，體驗到迭代的辛苦，體驗到精準設計全局把控的難度。學生們切身的經歷更容易印在腦海里。這讓他們對3D打印的技術特征理解的更透徹。后期計劃加入改進材料性能，引入金屬打印，不僅是制作觀賞性或有趣的小作品，向真正解決實際問題，提高產品性能的方向進發，這需要有足夠課時的支撐，更多專業教師的加入指導。3D打印實驗教學的改革還會一直進行下去，方式會更加多樣化。3D打印實驗教學的開展給學生們提供了實踐創新的平臺，有利于培養創新型人才。